WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Когерентное акустическое зондирование узкополосными импульсными сигналами как инструмент для исследования природных водоемов

Автореферат кандидатской диссертации

 

Научно-исследовательский институт прикладной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»

 

УДК 534-143

На правах рукописи

Паньков Алексей Леонидович

 

Когерентное акустическое зондирование узкополосными импульсными сигналами как инструмент для исследования природных водоемов

 

Специальность: 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

 

Иркутск, 2012


Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Иркутский государственный университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Буднев Николай Михайлович

Официальные оппоненты:

Буланов Владимир Алексеевич

доктор физико-математических наук,

ТОИ ДВО РАН, заведующий лабораторией

Ченский Александр Геннадьевич

кандидат физико-математических наук, ИрГТУ, заведующий кафедрой

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П.Ширшова Российской академии наук

Защита состоится «14» июня 2012 года в __:__ на заседании Диссертационного совета Д 003.034.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126а, а/я 291.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан «___» __________ 2012 года.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

Д 003.034.01, кандидат физико-математических наук

 

В.И. Поляков


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Озеро Байкал является уникальным природным объектом. В нём сосредоточено 19% мировых запасов пресной воды. Оно является самым глубоким (1636 м) и самым большим по объёму (23015 куб. км) озером в Мире. Максимальная ширина озера 81 км, средняя ширина 49.3 км, длина береговой линии около 1800 км. Береговые склоны имеют средний наклон около 30° – 35° для западного берега и 7° – 10° для восточного. Подобная геометрия не характерна для озёр.

Несмотря большую значимость озера, многие процессы в нём не до конца изучены. К ним относится горизонтальный и вертикальный обмен вод и связанные с ним процессы переноса загрязнений, микроорганизмов, планктона и, что является особенно важным в случае озера Байкал, процессы ответственные за насыщение кислородом глубинных слоёв озера.

Среди способов наблюдения за процессами, происходящими в природных водоёмах, можно выделить акустические методы. В отличие от более традиционных, таких как забор проб, измерения тех или иных физических величин в некоторой точке с буйковой станции, либо с борта научно-исследовательских судов, акустические методы позволяют получать информацию об интегральных свойствах наблюдаемого объёма воды. Такие данные необходимы для решения задач численного моделирования и анализа многих явлений, протекающих в водоёмах. Трудности в исследовании гидрофизических процессов также связаны с недостаточной чувствительностью существующих приборов для измерения вертикальных перемещений вод, скорость которых, как правило, не превышает долей миллиметра в секунду.

В 1979 году У. Мунком и К. Вуншем был выделен важный класс активных акустических методов, получивших обобщённое название акустическая томография. Этот подход на протяжении десятков лет успешно используется  для исследования Океана, при этом в научной литературе очень мало упоминаний о его применении для исследования пресных водоёмов. Адаптация данного подхода для измерений на относительно небольших акустических трассах даёт возможность получать дополнительную информацию об интегральных свойствах исследуемой среды.

При акустическом зондировании на малых трассах становятся незначительными эффекты многолучёвости, но при этом повышаются требования к точности измерения времени распространения сигнала, которое мало. Для проведения прецизионных акустических измерений может быть использовано синхронное фазовое детектирование, это позволяет измерять не только амплитуду, задержку и фазу импульсного сигнала, но и дополнительную внутриимпульсную модуляцию, которая возникает при наличии неравномерности поглощения в полосе частот сигнала. Для озера Байкал не существует данных по долговременному мониторингу указанных параметров, а их знание очень полезно для описания многих динамических процессов с помощью различных численных моделей.

Время распространения акустических сигналов между двумя точками зависит как от скорости звука, так и от скорости движения воды. Поскольку скорость звука в воде сильно зависит от температуры, следует ожидать, что в подледном слое в Байкале на время распространения сигнала в большей мере будут влиять вариации температуры вдоль луча распространения сигнала, нежели вариации скорости течения. Для того чтобы разделить эти два фактора, можно использовать измерения на встречных акустических сигналах, когда по одной акустической трассе проходят два сигнала – один в одном направлении, другой – в обратном. В таком случае, добавки к временам распространения, обусловленные изменением скорости звука вдоль трассы, будут одинаковыми, а добавки, связанные с течением, будут иметь разный знак для прямого и обратного сигналов.

Таким образом, в диссертации рассматривается подкласс акустических методов, предназначенных для исследования динамических процессов в естественных водоёмах, реальные возможности которых проверены с помощью созданных в ходе работы программно-аппаратных методических комплексов в натурных условиях на озере Байкал. Результаты работы позволяют считать, что при дальнейшем развитии эти методы могут стать новым эффективным инструментом долговременного мониторинга не только гидрофизических, но и гидробиологических процессов в водной среде. Данное направление соответствует современным научным тенденциям и предназначено для решения актуальных научных и практических задач охраны окружающей среды.

Цели и задачи работы

Цель работы состояла в разработке и экспериментальном изучении возможностей метода когерентного зондирования водной среды акустическими частотно-манипулированными сигналами как инструмента для исследования гидрофизических процессов в больших природных водоемах.

Для достижения указанных целей в ходе работы были поставлены и решены  следующие задачи:

  • Разработка методики проведения экспериментов по акустическому зондированию водной среды озера Байкал с его ледового покрова.
  • Исследование и оценка факторов, влияющих на результаты акустического зондирования водной среды в рамках заданных условий.
  • Разработка электронной системы для акустического зондирования водной среды и программного обеспечения для управления ходом измерений при акустическом зондировании водной среды.
  • Проведение экспериментов по когерентному акустическому зондированию подлёдного слоя воды озера Байкал.
  • Разработка и реализация методов обработки экспериментальных данных. Проведение обработки, анализа и интерпретации экспериментальных данных, полученных в ходе экспериментов по когерентному акустическому зондированию подлёдного слоя воды озера Байкал.

Научная новизна работы

В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

  • Разработаны новая методика измерений и программно-аппаратный комплекс для когерентного акустического зондирования со льда как инструмент для исследования гидрофизических процессов в больших природных водоемах;
  • впервые проведены эксперименты по когерентному акустическому зондированию и получены новые результаты по долговременному измерению дисперсионных свойств водной среды озера Байкал;
  • впервые обнаружена аномалия, заключающаяся в наличии суточного хода частотной дисперсии акустических сигналов в подлёдном слое озера Байкал;
  • впервые установлено существенное влияние изменчивости свойств водной среды на распространение акустических сигналов в диапазоне частот 20-40 кГц.

Научная новизна подтверждена публикациями в рецензируемых научных изданиях и представлением докладов на международных и отечественных конференциях.

Достоверность

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается большим объёмом экспериментального материала, на основе которого сделаны основные выводы работы, корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, статистической надёжностью измерений и применением общепринятых методик оценки точности результатов измерений.

Научная и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит в разработке метода когерентного акустического зондирования и анализе его устойчивости, а также чувствительности к параметрам водной среды; выявлении неизвестных ранее дисперсионные свойства байкальской воды: обнаружении эффекта аномальной частотной зависимости ослабления амплитуды, который, по-видимому, вызван наличием неоднородностей среды. В данный момент природа этих неоднородностей не ясна, но можно предположить, что они связаны с неоднородностью и нестационарностью пространственного распределения фито- и/или зооплактона.

Практическая значимость работы состоит в том, что создан программно-аппаратный комплекс для когерентного акустического зондирования водной среды на встречных звуковых сигналах, проведена апробация метода когерентного акустического зондирования, собран массив экспериментальных данных. Разработанный экспериментальный метод весьма чувствителен к проявлениям неоднородностей водной среды. Последующее исследование моделей водной среды с подобными неоднородностями должно выявить причины, которые приводят к наблюдаемому эффекту, а разработанный метод можно будет использовать как инструмент для мониторинга тех или иных процессов в экосистеме озера Байкал и других природных водоёмов.

По материалам диссертации имеется 7 публикации, из них в  зарубежных научных журналах и журналах из списка ВАК – 2 работы, в сборниках материалов всероссийских и международных конференций – 5 работ.


Защищаемые положения

  • Методика, аппаратура и программное обеспечение для когерентного акустического зондирования водной среды импульсными сигналами, методика обработки данных акустического зондирования.
  • Результаты экспериментов по подледному акустическому зондированию в озере Байкал и обнаружение эффекта аномальной частотной зависимости ослабления амплитуды акустических сигналов в байкальской воде в диапазоне частот 20-40 кГц.
  • Явление временной изменчивости ослабления амплитуды акустических сигналов в байкальской воде в диапазоне частот 20-40 кГц, гипотеза о природе эффекта.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор непосредственно участвовал во всех этапах исследовательского процесса, разработал методику аппаратуру для когерентного акустического зондирования водной среды, создал программное обеспечение для контроля хода эксперимента, а также программное обеспечение для обработки экспериментальных данных, проводил обработку данных измерений, осуществлял в анализ и интерпретацию полученных результатов, занимался подготовкой публикаций по выполненной работе.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на сессиях Российского Акустического Общества (XX сессия РАО Москва, 2008 г и XXII сессия РАО Москва, 2010 г), Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» (Москва, 2009 г), 9-й Всероссийской НПК «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» (Иркутск, 2010 г), 5-й Верещагинской байкальской конференции (Иркутск, 2010 г). Также проводились семинары в НИИПФ ИГУ и ИСЗФ СО РАН.

Работы автора были отмечены грамотами Российского Акустического Общества (Диплом за лучший доклад молодого специалиста в секции «Акустика океана» в 2008 году, Диплом за лучший доклад молодого специалиста в секции «Физическая акустика» в 2010 году) и был награждён на международной Pan-REC конференции за лучший стендовый доклад в 2008 году.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (107 наименований), всего 143 стр. печатного текста из них – титульный лист и оглавление на 4 стр.


СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении дается общая характеристика работы, включающая научную новизну, практическую значимость, выносимые на защиту положения; обсуждается актуальность темы диссертации; формулируется цель исследования.

В первой главе приводится подробное описание проблемы и даётся развёрнутая мотивировка проведения исследования, делается обзор литературы и современного состояния проблемы, отраженной в теме диссертации. Рассматриваются методы акустических измерений гидродинамических параметров естественных водоёмов, таких как скорость течения, температура, а также акустических свойств водной среды, таких как частотная дисперсия затухания.

Во второй главе описываются теоретические основы используемых в работе экспериментальных методов. Для измерения скорости течения фазовым методом при измерениях на встречных акустических сигналах используется формула:

(1)

где  – разница набега фаз сигналов прошедших в противоположных направлениях.

Прежде всего, в этой главе делается анализ устойчивости способа оценки температуры, показано, что результат измерения температуры сильно зависит от незначительных изменений длины измерительной базы . Для измерений со льда при размещении  гидрофонов в воде  на глубине  порядка десяти метров небольшие колебания могут приводить к значительным ошибкам измерений. В то же самое время, при измерении скорости течения зависимость от таких колебаний незначительная.

Далее приводятся основные теоретические формулы, описывающие возникновение добавочной фазовой модуляции в узкополосном амплитудно-модулированном сигнале при прохождении через среду, в которой существует зависимость затухания сигнала от его частоты. При наличии частотной дисперсии затухания квадратурные компоненты принятого сигнала ( – косинусная и  – синусная) после прохождения через такую среду можно представить в виде:

(2)

Здесь принятый сигнал характеризуется задержкой на время , ослаблением  на частоте , а угол  задает положение образа сигнала на фазовой диаграмме. Дополнительная фазовая модуляция, возникающая из-за частотной дисперсии затухания, характеризуется параметром , который входит в качестве коэффициента при  производной исходного сигнала. Величина , является тангенсом угла наклона модуля передаточной функции на несущей частоте . Таким образом, принятый АМ-сигнал на фазовой диаграмме (когда по оси OX отложена косинусная компонента , а по оси OY – синусная ) будет не прямой линией, что характерно для АМ-сигналов, а иметь дополнительное уширение пропорциональное величине  и формировать фигуру, напоминающую лепесток.

При проведении экспериментов принятый сигнал оцифровывался на учетверённой частоте несущей, таким образом, алгоритмы работы с квадратурными компонентами значительно упрощались.

Делается анализ источников ошибок при акустических измерениях на встречных сигналах, выявляется, что наибольшее влияние оказывают такие факторы как движение гидрофонов (принимающих и излучающих) и рефракция лучей из-за градиентов температуры и неоднородностей дисперсионных свойств среды.

В третьей главе описываются эксперименты, проведённые в 2007 и в 2009 годах. Обосновывается проведение экспериментов со льда озера Байкал, формулируются основные требования, предъявляемые к экспериментальной установке и к порядку измерений.

В первой части третьей главы даётся подробное описание экспериментальной установки на базе четырёх излучающих и шести принимающих гидрофонов, установка управляется компьютером на платформе Compact PCI. Даётся описание аналоговых трактов предусилитей приёмных гидрофонов и усилителей мощности передающих гидрофонов. Обосновывается геометрия взаимного расположения акустических преобразователей, при которой формируются три акустические трассы, направленные в трёх пространственных измерениях перпендикулярно друг другу. Расстояние между передающими гидрофонами составляло 100 м в северном направлении, 95 – в восточном и 100 – в направлении дна озера. Пары принимающих гидрофонов располагались в середине акустических трасс на расстоянии 50 м друг от друга, расстояние до нижней поверхности льда для горизонтальных трасс – 15 м.

Исходя из особенностей измерительного комплекса, осуществлялся выбор несущих частот зондирующих сигналов. Поскольку рабочая частота установки 1 МГц сигналы синтезировались из 34, 33 и 32 точек на один период несущей частоты, таким образом, получались несущие частоты: 29.4117 кГц, 30.(3030) кГц и 31.2500 кГц эти частоты соответствуют 34, 33 и 32 мкс на период. Форма зондирующего импульса выбиралась  , где  – несущая частота волнового пакета, а , таким образом, в каждом волновом пакете было 18 периодов несущей частоты. Зондирующий импульс состоял из трёх последовательных волновых пакетов с разными частотами несущей.

В 2007 году зондирование производилось каждую секунду, таким образом, за сутки накапливалось 86400 значений каждого измеряемого параметра (амплитуды, фазы и ширины лепестка на фазовой диаграмме сигнала) принятого сигнала. Собрано 10 непрерывных суточных массивов данных.

Во второй части третьей главы приведены краткие результаты измерений 2007 года, демонстрирующие наличие аномальной дисперсии затухания, выявленной на основании анализа измерений ширины лепестка на фазовой диаграмме сигнала (параметра ). Из результатов видно, что на близких несущих частотах  может изменяться разнонаправленно – это означает, что передаточная функция в области трёх использованных в эксперименте частот не является монотонной и изменчива во времени.

В третьей части третьей главы описывается эксперимент 2009 года, описываются недостатки экспериментальной установки использованной в 2007 году, и то, как она была доработана, учитывая новые требования, налагаемые на проведение измерений. В 2009 году было решено провести более подробное исследование дисперсии потерь, поэтому использовалось 12 разных несущих частот, расположенных равномерно на логарифмической шкале (от 19912 Гц до 37589 Гц). Эксперимент управлялся новой рабочей станцией на базе DSP TMS320C6713 с платой сбора данных ADP6713PCI. Новая измерительная станция имела встроенный генератор частоты AMBPCI-DDS9854, который управляется программными средствами, таким образом, изменение несущей частоты зондирующего сигнала осуществлялось не за счёт изменения количества точек на период, а за счёт изменения опорной частоты системы. В результате этого, зондирование осуществлялось отдельными импульсами в форме одного периода функции , где N для разных частот выбиралось разным в пределах от 16 до 32, так чтобы общая длина акустического волнового пакета не превышала 145 см. Данное ограничение связано с необходимостью разделить сигналы, пришедшие по прямому лучу и отражённые от нижней поверхности льда.

Геометрия установки была выбрана отличной от использованной в 2007 году – использовались две конфигурации. Первая конфигурация – горизонтальная линейка гидрофонов на глубине 7.5 м с передающими гидрофонами по краям трассы (расстояние между передающими гидрофонами – 100 м) и принимающими гидрофонами эквидистантно расположенными посередине трассы (расстоянием между принимающими гидрофонами 10 м); таким образом, расстояние между передающим гидрофоном и ближайшим приёмным составляло 25 м.

Вторая конфигурация – также линейка гидрофонов, но расположение акустической трассы вертикальное с передающими гидрофонами сверху и снизу трассы. Учитывая, что во время эксперимента измерения проводились по отдельности для каждой частоты, а последовательный перебор всех 12-ти рабочих частот и запись данных на диск занимали 7.26 сек, за сутки накапливалось 11900 измерений. Проведено семь суточных сеансов зондирования в горизонтальной конфигурации и два с половиной – в вертикальной.

Далее описываются алгоритмы обработки экспериментальных данных, делается анализ статистических свойств измеряемых величин при наличии шумов.

Отчёты сигнала переводились в комплексный вид, где действительная часть соответствовала косинусной квадратурной компоненте, а мнимая – синусной для того же момента времени, полученной в результате интерполяции. Оценка комплексной амплитуды сигнала проводилась по формуле:

(3)

где  – номер отсчёта, соответствующего максимуму среднего модуля огибающей, а  бралось равным от 2-х до 4-х, в зависимости от количества периодов несущей в зондирующем сигнале. По данной формуле делалась оценка амплитуды и фазы сигнала. Ширина лепестка на фазовой диаграмме оценивалась по среднему расстоянию от прямой, отложенной в направлении соответствующем оценке комплексной амплитуды до нескольких фиксированных точек, расположенных симметрично относительно . Исходя из такого способа оценки ширины лепестка, данная величина могла принимать как положительные, так и отрицательные значения.

В четвёртой главе приводятся результаты экспериментов. В первую очередь, анализируются данные об акустических шумах. СКО шума в экспериментах как 2007, так и 2009 года имеют некоторый хорошо заметный минимум, ниже которого уровень шума не опускается. Уровень шума сильно варьируется со временем, но как показали численные эксперименты, после фильтрации данных цифровым фильтром Баттерворта наблюдаемая активная динамика нивелируется и шум оказывается на одном, относительно небольшом уровне. Соотношение сигнал/шум для различных приёмных гидрофонов и сигналов было разное, ввиду различного положения приёмных гидрофонов относительно передающих, для 2007 года соотношения лежали в пределах: 35-50 dB для 2009 года: 42-60 dB. В обоих случаях имеются в виду сигналы, подвергнутые процедуре фильтрации.

Данные по вертикальным трассам показывают большой разброс измеряемых величин (амплитуды, фазы, ширины лепестка), связанные с этим явления представляются более сложными и имеют перспективу дальнейшего более подробного изучения, в рамках данной работы представляются результаты по горизонтальным трассам, как для 2007, так и для 2009 годов.

Далее приводятся результаты измерений 2007 года. Фазы для сигналов прошедших по одной акустической трассе в одном направлении ведут себя похожим образом. Изменение фазы из-за таких факторов как температура, скорость течения или расстояние между принимающим и излучающим гидрофонами пропорциональны несущей частоте:

, ,

(4)

Поэтому удобно рассматривать «приведённые фазы» () к какой-нибудь одной несущей частоте. Учитывая, что температура, скорость течения и расстояние для любой из несущих частот одинаковое, если рассмотреть разность приведённых фаз, то она должна быть нулевой.

Рис. 1 . Разница между фазой сигнала на частоте 31.25 кГц и приведённых к частоте 31.25 кГц фаз сигналов на частотах 30.3030 кГц и 29.4117 кГц (сигнал от передатчика T1 принятый приёмником R5).

Из Рис. 1 видно, что данная разница при экспериментальном измерении не нулевая и меняется со временем, это может говорить о наличии дополнительных факторов, кроме упомянутых, которые влияют на изменение фазового пути. Данные результаты показывают наличие небольшой дисперсии. Этот эффект ещё в большей степени проявляется при оценке скорости течения, так для разных частот видны заметные отличия, хотя общее направление изменения скорости течения сохраняется.

Оценки температуры при этом достаточно хорошо согласуются с показаниями прибора TR-1050, предназначенного для измерения температуры с разрешением 0.001 градуса.

Наличие аномальной и нестационарной частотной дисперсии затухания можно пронаблюдать из хода амплитуды принятого сигнала и ширины лепестка на фазовой диаграмме сигнала (Рис. 2 и Рис. 3). Видно, что данные величины меняются со временем и даже на близких частотах поведение заметно отличается. Данные результаты не соответствуют традиционным представлениям о свойствах звуковых волн в чистой пресной воде.

Рис. 2 . Амплитуда сигнала излученного передатчиком T1 и принятого приёмным гидрофоном R5  измеренная на разных несущих частотах. Амплитуда отложена относительно своего среднего значения за период наблюдения.

Рис. 3 . Отношение ширины лепестка на фазовой диаграмм сигнала к его амплитуде (приёмник – R5, передатчик – T1).

Результаты 2007 года можно резюмировать следующим образом:

  • Несмотря на высокую чувствительность оценок температуры к движениям гидрофонов, полученная экспериментальная оценка хорошо коррелирует с данными температурного датчика. Это удивительно, если учесть большой «размах» значений фазы на приёмных гидрофонах, который в таком случае не может быть объяснён изменением расстояния между гидрофонами. При этом соответствующие данному «размаху» изменения скорости являлись бы аномальными. Данный результат показывает наличие некоторых дополнительных факторов, влияющих на фазу сигнала.
  • Оценки скорости течения, полученные для разных частот, в целом ведут себя похожим образом, тем не менее, наблюдаются заметные расхождения, значительно превышающие теоретическую точность метода.
  • Обнаружена зависимость затухания сигнала от несущей частоты. На это указывают как результаты измерения амплитуд сигналов, так и ширин лепестков на фазовой диаграмме сигналов.
  • Указанные аномальные частотные зависимости измеряемых параметров (оценки скорости течения, амплитуды, ширины лепестка) нестационарны.

Далее приводятся результаты измерений, проведённых в 2009 году в горизонтальной конфигурации.

Оценки скорости течения, сделанные для разных несущих частот, (см. Рис. 4) ведут себя совершенно непохожим образом. Это подтверждает наличие обычной дисперсии. Кроме того, для разных акустических трасс, когда одна вложена в другую, оценки скорости даже на одной частоте ведут себя некоррелированно, это говорит о пространственной неоднородности дисперсионных свойств среды.

Рис. 4 . Оценки вариации скорости течения воды вдоль направления R2-R3 сделанные для трёх различных несущих частот.

Также на пространственную неоднородность указывают результаты измерений относительного затухания сигналов прошедших в разных направлениях одну акустическую трассу. На Рис. 5 и Рис. 6 видно, что данные величины различно ведут себя не только на разных частотах, но и на одной частоте относительное затухание сигналов, прошедших в прямом и обратном направлениях, существенно различается.

Рис. 5 . Отношение амплитуд () сигналов от передатчика TL.

Рис. 6 . Отношение амплитуд () сигналов от передатчика TR.

Ширина лепестка на фазовой диаграмме сигнала (см. Рис. 7) также ведёт себя различным образом на разных частотах и разных пространственных масштабах.

Таким образом, результаты экспериментов 2009 года подтвердили наличие аномальной дисперсии потерь, обнаруженных при измерениях 2007 года. Объяснение данного явления требует подробных численных моделей среды, возможно явление связано с наличием в байкальской воде фито- и/или зоопланктона, в таком случае акустические методы могут помочь в исследовании процессов их миграции, но данный вопрос требует дальнейшего подробного исследования.

Рис. 7 . Относительная ширина лепестка на фазовой диаграмме принятого на приёмнике R3 сигнала, излученного передатчиком TL.

Результаты эксперимента 2009 года можно резюмировать следующим образом:

  • аномальные свойства частотной дисперсии затухания проявляются во всём диапазоне использованных частот (20-40 кГц), при этом наибольшая «выраженность» аномалий приходится на область высоких частот диапазона, это можно наблюдать как по измерениям амплитуды, так и по ширине лепестка на фазовой диаграмме сигнала;
  • как и в 2007 году наблюдается зависимость от времени, которая для амплитуды сигнала на высоких частотах может иметь «размах» более 30%;
  • неоднородность среды приводит к невозможности измерять рассматриваемым в диссертации методом скорость течения в масштабах установки – оценки, сделанные для разных частот, приводят к различным результатам;
  • характер неоднородностей таков, что даже для двух близких акустических лучей накапливается заметная разница набега фазы, а также затухания (об этом говорят результаты оценки скорости течения и относительных затуханий, измеренных для встречных направлений, а также заметная разница в добавках к ширине лепестка для встречных направлений).

Пятая глава посвящена описанию свойств воды с газовыми пузырьками. Делается гипотетическое предположение, что наблюдаемые явления могут объясняться наличием пузырьков. Скорость всплытия газовых пузырьков диаметром порядка десятой доли миллиметра, которые могут приводить к резонансному поглощению звука с частотой в области 20-40 кГц, составляет 0.1-0.2 м/с.  Результаты экспериментов не могут объясняться влиянием свободных пузырьков, поскольку они всплывают настолько быстро, что за 3-4 минуты свойства акустической трассы должны поменяться полностью. Такие времена не совпадают с характерными временными масштабами наблюдаемых нами вариаций поглощения, поэтому можно предположить, что пузырьки прикреплены к взвешенному в воде фито- и/или зоопланктону. Такая возможность подтверждается данными ряда исследований особенностей жизнедеятельности фито-зоопланктона в озере Байкал.

Дополнительный набег фазы в воде с пузырьками одного размера даётся формулой:

(5)

а показатель затухания:

(6)

где  для глубины 7.5 м,  – объёмная концентрация пузырьков, которая, вообще говоря, может зависеть от координаты вдоль луча,  – равновесный радиус пузырька,  – скорость звука,  – показатель затухания,  отношение частоты звука к резонансной частоте пузырька.

Полагая , а  (расстояние от TL до R3), получим в системе СИ:

(7)

Рис. 8. Графики мнимой части функции . Точками отмечены положения частот 33488 Гц и 35479 Гц относительно гипотетической резонансной частоты 34483 Гц для левого графика и 34183 Гц – для правого (разница 1%). По оси X отложена относительная частота.

Далее показано, что при незначительной концентрации пузырьков () при некоторых условиях возможно сильное изменение амплитуды сигналов при незначительном изменении дополнительного набега фазы. Для этого резонансная частота должна немного изменяться, что может происходить из-за процессов диффузии газа через стенку пузырьков.

Приведённые выкладки дают лишь качественное предположение относительно возможных процессов, действительное объяснение должно быть подкреплено дополнительными экспериментами и подробными численными моделями.

В заключении проводится обобщение проделанной работы в виде следующих результатов:

  • Рассмотрены возможные подходы к измерению гидрофизических параметров в естественных водоёмах акустическими методами. Для целей зондирования подлёдного слоя озера Байкал предложен подход, основанный на синхронном фазовом детектировании узкополосных импульсных сигналов.
  • Проведён подробный анализ факторов влияющих на точность акустических измерений на встречных звуковых сигналах, показано, что неоднородности в акустических свойствах среды могут оказывать существенное влияние на оценки скорости в случае, когда принимающие и передающие гидрофоны разнесены в пространстве (т.е. не являются одним и тем же физическим устройством). Сделано обоснование используемой формы зондирующего импульсного сигнала.
  • Разработана установка для проведения акустических измерений, изготовлены аналоговые модули электроакустических преобразователей. Разработана программная система для управления ходом проведения эксперимента и предварительной обработки экспериментальных данных.
  • В 2007 году проведены измерения скоростей, температуры и показателей затухания, а также частотной дисперсии затухания для трёх несущих частот. Собраны данные по акустическому зондированию в течение десяти суток.
  • В 2009 году проведён эксперимент по измерению дисперсионных свойств подлёдного слоя байкальской воды и их пространственной зависимости. При эксперименте использовалось двенадцать несущих частот зондирующих сигналов в диапазоне от 19912 Гц до 37589 Гц собраны, данные по акустическому зондированию в течение девяти с половиной суток.
  • Разработаны методики и алгоритмы обработки экспериментальных данных и оценки фазы сигнала, амплитуды и относительной ширины лепестка на фазовой диаграмме сигнала, проведён анализ их статистической достоверности.
  • Проведён анализ акустических и аппаратных шумов и их влияния на проводимые измерения. Выявлена значительная вариабельность акустических шумов во времени, но в ввиду использования предложенных методик проведения измерений, обработки и анализа данных, результаты измерений обладают высокой устойчивостью к шумам.
  • Осуществлена обработка экспериментальных данных 2007 и 2009 годов, получены временные ряды оценок для амплитуды, фазы и относительной ширины лепестка. На основе анализа экспериментальных данных обнаружена аномальная частотная дисперсия затухания, которая изменчива во времени, причем характер временной зависимости затухания различен для близких несущих частот. Данный эффект до проведённых экспериментов не имел отражения в научной литературе, считалось, что для пресной воды коэффициент поглощения звука растет пропорционально квадрату частоты. Обнаружена неоднородность акустических свойств водной среды, которая проявляется в том, что параметры сигналов на вложенных трассах изменяются некоррелированным образом.
  • Проанализированы альтернативные варианты интерпретации полученных экспериментальных данных и доказано, что возможное влияние эффектов многолучевости, в частности, связанной с распространением и переотражением зондирующих акустических сигналов во льду, не существенно.
  • Выдвинута гипотеза о возможном объяснении наблюдаемой аномальной частотной дисперсии за счёт наличия в водной среде зоо- и/или фитопланктона с прикреплёнными газовыми пузырьками размерами порядка 0.1 мм.

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при планировании и проведении экспериментов по акустическому зондированию воды в естественных пресных водоёмах, а также анализе экспериментальных данных. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы для проверки теоретических моделей, описывающих наблюдаемое явление аномальной нестационарной частотной дисперсии звука в природной воде. Также есть перспектива использовать описанный экспериментальный метод для мониторинга экологических параметров водоёмов. Данное направление имеет перспективы дальнейшего исследования.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.